JP2017083331A - Capacitance detection device and sensor system - Google Patents
Capacitance detection device and sensor system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2017083331A JP2017083331A JP2015212663A JP2015212663A JP2017083331A JP 2017083331 A JP2017083331 A JP 2017083331A JP 2015212663 A JP2015212663 A JP 2015212663A JP 2015212663 A JP2015212663 A JP 2015212663A JP 2017083331 A JP2017083331 A JP 2017083331A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- sensor
- capacitance
- detection device
- sensor output
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
本発明は、静電容量検出装置、及びセンサシステムに関する。 The present invention relates to a capacitance detection device and a sensor system.
従来から、静電容量型のセンサ装置には、外部入力に応じて静電容量が変化する容量素子によって構成される静電容量型センサと、この静電容量型センサの静電容量を検出し出力する静電容量検出装置とを備えているものがある。
例えば、特許文献１に記載の静電容量検出装置は、所定周期の矩形波を静電容量型センサの一端側の電極に印加するための電圧印加素子と、一端側の電極に印加したときに前記センサの他端側の電極から出力されるセンサ出力を整流する整流器と、整流器によって整流されたセンサ出力を平滑化する平滑コンデンサと、平滑コンデンサの後段に設けられたシャント抵抗とを備えている。この静電容量検出装置は、前記矩形波を前記センサの一端側の電極に印加したときに前記センサの他端側の電極から電流信号として出力されるセンサ出力を検出し、このセンサ出力を電圧信号に変換するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
Conventionally, a capacitance type sensor device includes a capacitance type sensor composed of a capacitance element whose capacitance changes in response to an external input, and detects the capacitance of the capacitance type sensor. Some have a capacitance detecting device for outputting.
For example, the electrostatic capacitance detection device described in Patent Literature 1 applies a voltage application element for applying a rectangular wave having a predetermined period to an electrode on one end side of an electrostatic capacitance sensor and an electrode on one end side. A rectifier for rectifying the sensor output output from the electrode on the other end of the sensor; a smoothing capacitor for smoothing the sensor output rectified by the rectifier; and a shunt resistor provided at the subsequent stage of the smoothing capacitor. . The capacitance detection device detects a sensor output that is output as a current signal from an electrode on the other end of the sensor when the rectangular wave is applied to an electrode on one end of the sensor, and the sensor output is converted into a voltage. It is comprised so that it may convert into a signal (for example, refer patent document 1).
上記従来の静電容量型センサでは、当該センサに対して矩形波の電圧を印加するように構成されているが、一般的に矩形波は、高値及び低値の内の一方の値が接地電位（０Ｖ）とされて生成される。
このため、当該センサ周囲の電気製品等に起因して発生するノイズが接地電位に侵入した場合、前記矩形波はノイズの影響を受ける可能性があり、このため、前記センサ出力にもノイズの影響が及ぶおそれがある。センサ出力にノイズの影響が及ぶと、センサ精度を低下させる要因となる。
The above-described conventional capacitive sensor is configured to apply a rectangular wave voltage to the sensor. Generally, one of a high value and a low value of the rectangular wave has a ground potential. (0V) is generated.
For this reason, when noise generated due to electrical products around the sensor enters the ground potential, the rectangular wave may be affected by noise. For this reason, the sensor output is also affected by noise. There is a risk that. If the sensor output is affected by noise, it will cause a decrease in sensor accuracy.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、センサ出力に含まれるノイズを低減することができる技術を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the technique which can reduce the noise contained in a sensor output.
（１）本発明は、伸長変形することで静電容量が変化する静電容量型センサのセンサ出力を電圧信号として検出する静電容量検出装置であって、前記静電容量型センサに電圧を印加する電圧供給部と、前記電圧の印加に応じて前記静電容量型センサから出力される電流信号であるセンサ出力を電圧信号に変換する変換部と、を備え、前記電圧供給部による印加電圧は、中心電位が振幅電圧以上とされた正弦波形の電圧である。 (1) The present invention is a capacitance detection device that detects a sensor output of a capacitance type sensor whose capacitance changes due to expansion and deformation as a voltage signal, and a voltage is applied to the capacitance type sensor. A voltage supply unit to be applied; and a conversion unit that converts a sensor output, which is a current signal output from the capacitive sensor in response to the application of the voltage, into a voltage signal, and an applied voltage by the voltage supply unit Is a sinusoidal voltage with a center potential equal to or greater than the amplitude voltage.
上記のように構成された静電容量検出装置によれば、電圧供給部による印加電圧は、中心電位が振幅電圧以上とされた正弦波形の電圧であるので、少なくとも、接地電位にノイズが侵入したとしてもそのノイズが印加電圧に重畳されるのを抑制することができる。この結果、印加電圧を通じてセンサ出力にノイズが与えられるのを抑制することができ、センサ出力に含まれるノイズを低減することができる。 According to the electrostatic capacitance detection device configured as described above, the voltage applied by the voltage supply unit is a sinusoidal voltage whose center potential is equal to or greater than the amplitude voltage, so that at least noise has entered the ground potential. However, it is possible to suppress the noise from being superimposed on the applied voltage. As a result, it is possible to suppress noise from being applied to the sensor output through the applied voltage, and it is possible to reduce noise included in the sensor output.
（２）上記静電容量検出装置において、前記変換部は、半波倍電圧整流回路により構成されていることが好ましく、この場合、簡易な構成で変換部を構成することができる。 (2) In the capacitance detection device, the conversion unit is preferably configured by a half-wave voltage doubler rectifier circuit. In this case, the conversion unit can be configured with a simple configuration.
上記従来の静電容量型センサでは、前記平滑コンデンサによってセンサ出力に含まれる印加電圧の周波数成分を除去する。さらに、印加電圧の周波数成分に起因するリップルノイズがセンサ出力に顕著に表れる場合には、例えば、前記平滑コンデンサ及び前記シャント抵抗の時定数をより大きく設定することで、リップルノイズを低減することができる。しかし、このように印加電圧の周波数成分を除去するために前記時定数をより大きく設定すれば、変換部がセンサ出力を電圧信号に変換する際の応答性を低下させてしまう場合がある。 In the conventional capacitive sensor, the frequency component of the applied voltage contained in the sensor output is removed by the smoothing capacitor. Furthermore, when ripple noise due to the frequency component of the applied voltage appears prominently in the sensor output, for example, the ripple noise can be reduced by setting a larger time constant for the smoothing capacitor and the shunt resistor. it can. However, if the time constant is set larger in order to remove the frequency component of the applied voltage in this way, the responsiveness when the conversion unit converts the sensor output into a voltage signal may be reduced.
（３）このため、上記静電容量検出装置は、前記変換部の後段に設けられ、前記センサ出力に含まれる、前記印加電圧の周波数成分を除去する第１ローパスフィルタ部をさらに備えていることが好ましい。
この場合、変換部の後段に第１ローパスフィルタ部を設けたので、変換部において印加電圧の周波数成分を十分に除去できなかったとしても、第１ローパスフィルタ部によってリップルノイズを効果的に低減することができる。
よって、平滑コンデンサ及びシャント抵抗の時定数に相当する値を、第１ローパスフィルタ部を設けず平滑コンデンサによってリップルノイズを低減する場合よりも小さい値に設定することができる。これにより、変換部におけるセンサ出力を電圧信号に変換する際の応答性を低下させるのを抑制しつつ、印加電圧の周波数成分を除去し、リップルノイズを低減することができる。
この結果、センサ出力に含まれるノイズをより低減することができる。
(3) For this reason, the said capacitance detection apparatus is further provided with the 1st low-pass filter part which is provided in the back | latter stage of the said conversion part, and removes the frequency component of the said applied voltage contained in the said sensor output. Is preferred.
In this case, since the first low-pass filter unit is provided after the conversion unit, ripple noise is effectively reduced by the first low-pass filter unit even if the frequency component of the applied voltage cannot be sufficiently removed in the conversion unit. be able to.
Therefore, the value corresponding to the time constant of the smoothing capacitor and the shunt resistor can be set to a value smaller than the case where the first low-pass filter unit is not provided and the ripple noise is reduced by the smoothing capacitor. Thereby, it is possible to remove the frequency component of the applied voltage and reduce the ripple noise while suppressing the deterioration of the response when the sensor output in the conversion unit is converted into the voltage signal.
As a result, noise included in the sensor output can be further reduced.
（４）また、上記静電容量検出装置は、前記第１ローパスフィルタ部の後段に設けられ、前記第１ローパスフィルタ部を通過した前記センサ出力を増幅する増幅部をさらに備えていてもよい。
（５）さらに、前記増幅部は、前記センサ出力を増幅するオペアンプと、前記オペアンプの入力端と出力端との間に接続された容量素子と、を備えていてもよい。
この場合、増幅された後のセンサ出力に残存するノイズをさらに低減することができる。
(4) The capacitance detection device may further include an amplifying unit that is provided after the first low-pass filter unit and amplifies the sensor output that has passed through the first low-pass filter unit.
(5) Furthermore, the amplifying unit may include an operational amplifier that amplifies the sensor output, and a capacitive element connected between an input terminal and an output terminal of the operational amplifier.
In this case, noise remaining in the amplified sensor output can be further reduced.
（６）また、本発明に係るセンサシステムは、伸長変形することで静電容量が変化する静電容量型センサと、前記静電容量型センサのセンサ出力を電圧信号として検出する静電容量検出装置と、を備えたセンサシステムであって、前記静電容量検出装置は、前記静電容量型センサに電圧を印加する電圧供給部と、前記電圧の印加に応じて前記静電容量型センサから出力される電流信号であるセンサ出力を電圧信号に変換する変換部と、を備え、前記電圧供給部による印加電圧は、中心電位が振幅電圧以上とされた正弦波形の電圧である。 (6) In addition, the sensor system according to the present invention includes a capacitance type sensor that changes capacitance by expansion and deformation, and capacitance detection that detects a sensor output of the capacitance type sensor as a voltage signal. The capacitance detection device includes: a voltage supply unit that applies a voltage to the capacitance type sensor; and the capacitance type sensor in response to the application of the voltage. A conversion unit that converts a sensor output, which is an output current signal, into a voltage signal, and the voltage applied by the voltage supply unit is a sinusoidal voltage with a center potential equal to or higher than the amplitude voltage.
上記構成のセンサシステムによれば、入力電圧を通じてセンサ出力にノイズが与えられるのを抑制することができ、センサ出力に含まれるノイズを低減することができる。 According to the sensor system having the above configuration, it is possible to suppress noise from being applied to the sensor output through the input voltage, and it is possible to reduce noise included in the sensor output.
本発明によれば、センサ出力に含まれるノイズを低減することができる。 According to the present invention, noise included in sensor output can be reduced.
以下、好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。
〔システムの全体構成について〕
図１は、一実施形態に係るセンサシステムの全体構成を示す図である。図中、センサシステム１は、複数（図例では４つ）のセンサシート２と、静電容量検出装置３と、情報処理装置４とを備えている。
センサシート２は、面状に形成されたエラストマー製の誘電層と、誘電層を挟むように当該誘電層の表裏面に形成されている一対の電極層と備えており、面状に形成された容量素子を構成している。
このセンサシート２は、当該センサシート２の表裏面に平行な方向（面方向）に沿って変形（伸縮）可能に形成されている。センサシート２は、面方向に変形する際、誘電層の面方向の変形に追従して電極層の面積に変化が生じる。このため、センサシート２の静電容量は、当該センサシート２の変形に応じて変化する。
センサシート２は、その静電容量が当該センサシート２の変形に応じて変化するという特性を利用して、例えば、人体の関節部分等、測定対象物の可動部分に取り付けられて、その可動部分の可動状態を把握するために用いられる。
Hereinafter, preferred embodiments will be described with reference to the drawings.
[About overall system configuration]
FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of a sensor system according to an embodiment. In the figure, the sensor system 1 includes a plurality (four in the illustrated example) of sensor sheets 2, a capacitance detection device 3, and an information processing device 4.
The sensor sheet 2 includes an elastomer dielectric layer formed in a planar shape and a pair of electrode layers formed on the front and back surfaces of the dielectric layer so as to sandwich the dielectric layer, and is formed in a planar shape. A capacitive element is configured.
The sensor sheet 2 is formed to be deformable (extendable) along a direction (surface direction) parallel to the front and back surfaces of the sensor sheet 2. When the sensor sheet 2 is deformed in the surface direction, the area of the electrode layer is changed following the deformation in the surface direction of the dielectric layer. For this reason, the electrostatic capacitance of the sensor sheet 2 changes according to the deformation of the sensor sheet 2.
The sensor sheet 2 is attached to a movable part of an object to be measured, such as a joint part of a human body, for example, by utilizing the characteristic that the capacitance changes according to the deformation of the sensor sheet 2, and the movable part It is used to grasp the movable state.
センサシート２は、測定対象物の可動部分に、当該可動部分の可動に応じて変形するように取り付けられる。センサシート２は、可動部分が可動すると、それに応じて自身も変形し、その変形に応じて静電容量が変化する。
よって、センサシート２が取り付けられた状態で可動部分を可動させ、可動部分の可動状態と、センサシート２の静電容量との相関関係を予め把握しておけば、センサシート２の静電容量に基づいて測定対象物の可動状態を把握することができる。
このように、センサシート２は、当該測定対象物の可動部分の可動状態を示す情報を静電容量として出力するように構成されている。つまり、このセンサシート２は、外部からの入力に応じて伸長変形することで静電容量が変化する静電容量型センサを構成している。
The sensor sheet 2 is attached to the movable part of the measurement object so as to be deformed according to the movement of the movable part. When the movable part moves, the sensor sheet 2 itself deforms accordingly, and the capacitance changes according to the deformation.
Therefore, if the movable part is moved with the sensor sheet 2 attached, and the correlation between the movable state of the movable part and the capacitance of the sensor sheet 2 is grasped in advance, the capacitance of the sensor sheet 2 Based on this, it is possible to grasp the movable state of the measurement object.
As described above, the sensor sheet 2 is configured to output information indicating the movable state of the movable part of the measurement object as a capacitance. That is, the sensor sheet 2 constitutes a capacitance type sensor in which the capacitance changes by extending and deforming in response to an external input.
静電容量検出装置３は、各センサシート２に電圧を印加し、各センサシート２の静電容量を検出する機能を有している。
静電容量検出装置３は、各センサシート２の一方側の電極層に所定周期の入力電圧を印加する正弦波発振回路５と、この入力電圧に応じてセンサシート２の他方側の電極層から出力されるセンサ出力が与えられる複数の検出部６とを備えている。
The capacitance detection device 3 has a function of applying a voltage to each sensor sheet 2 and detecting the capacitance of each sensor sheet 2.
The capacitance detection device 3 includes a sine wave oscillation circuit 5 that applies an input voltage of a predetermined period to one electrode layer of each sensor sheet 2, and an electrode layer on the other side of the sensor sheet 2 in accordance with the input voltage. And a plurality of detection units 6 to which output sensor outputs are provided.
正弦波発振回路５は、正弦波形の入力電圧を生成し、各センサシート２に印加する機能を有している。
検出部６は、各センサシート２に対応して複数（図例では４つ）設けられている。検出部６は、与えられるセンサシート２のセンサ出力に対して、各種信号処理を施すことによって、センサシート２の静電容量の変化を表す検出信号を出力する。
静電容量検出装置３は、上記検出信号を当該静電容量検出装置３に接続された情報処理装置４に与える。
The sine wave oscillation circuit 5 has a function of generating a sinusoidal input voltage and applying it to each sensor sheet 2.
A plurality (four in the illustrated example) of detection units 6 are provided corresponding to each sensor sheet 2. The detection unit 6 outputs a detection signal representing a change in the capacitance of the sensor sheet 2 by performing various kinds of signal processing on the sensor output of the sensor sheet 2 to be given.
The capacitance detection device 3 gives the detection signal to the information processing device 4 connected to the capacitance detection device 3.
情報処理装置４は、静電容量検出装置３から与えられた検出結果信号に基づいて、測定対象物の可動部分の可動状態を示す情報を生成し、当該情報処理装置４の操作者に向けて出力する。 Based on the detection result signal given from the capacitance detection device 3, the information processing device 4 generates information indicating the movable state of the movable part of the measurement object, and directs the information to the operator of the information processing device 4. Output.
〔センサシートの構成について〕
図２（ａ）は、センサシート２の一例を示す斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、センサシート２は、シート状の誘電層１１と、誘電層１１の表面（おもて面：図２中、上側）に形成された表側電極層１２Ａと、誘電層１１の裏面（図２中、下側）に形成された裏側電極層１２Ｂと、一端が表側電極層１２Ａに連結された表側配線１３Ａと、一端が裏側電極層１２Ｂに連結された裏側配線１３Ｂと、表側配線１３Ａの他端に取り付けられた表側接続端子１４Ａと、裏側配線１３Ｂの他端に取り付けられた裏側接続端子１４Ｂと、誘電層１１の表側及び裏側のそれぞれに積層された表側保護層１５Ａ及び裏側保護層１５Ｂと、裏側保護層１５Ｂに積層された粘着層１８とを備える。
[Configuration of sensor sheet]
Fig.2 (a) is a perspective view which shows an example of the sensor sheet | seat 2, FIG.2 (b) is AA sectional view taken on the line of Fig.2 (a).
2A and 2B, the sensor sheet 2 includes a sheet-like dielectric layer 11 and a front-side electrode formed on the surface (front surface: upper side in FIG. 2) of the dielectric layer 11. Layer 12A, back side electrode layer 12B formed on the back surface of dielectric layer 11 (lower side in FIG. 2), front side wiring 13A having one end connected to front side electrode layer 12A, and one end connected to back side electrode layer 12B Laminated back side wiring 13B, front side connecting terminal 14A attached to the other end of front side wiring 13A, back side connecting terminal 14B attached to the other end of back side wiring 13B, and laminated on the front side and back side of dielectric layer 11, respectively. The front side protective layer 15A and the back side protective layer 15B, and the adhesive layer 18 laminated on the back side protective layer 15B are provided.
誘電層１１は、エラストマー製のシート状物であり、その厚みは、例えば、１０〜１０００μｍに設定されている。誘電層１１は、表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとの間に介在しており、容量素子における誘電体としての機能を有している。
誘電層１１は、エラストマーと他の任意成分とを含むエラストマー組成物を用いて形成されており、その表裏面の面積が変化するように可逆的に変形することができる。
上記エラストマーとしては、天然ゴム、イソプレンゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、水素添加ニトリルゴム、ウレタンゴム等が用いられ、これらのなかではウレタンゴムやシリコーンゴムが好ましく、ウレタンゴムがより好ましい。
The dielectric layer 11 is a sheet-like material made of an elastomer, and the thickness thereof is set to 10 to 1000 μm, for example. The dielectric layer 11 is interposed between the front electrode layer 12A and the back electrode layer 12B, and has a function as a dielectric in the capacitive element.
The dielectric layer 11 is formed using an elastomer composition containing an elastomer and other optional components, and can be reversibly deformed so that the areas of the front and back surfaces thereof are changed.
Examples of the elastomer include natural rubber, isoprene rubber, nitrile rubber (NBR), ethylene propylene rubber (EPDM), styrene / butadiene rubber (SBR), butadiene rubber (BR), chloroprene rubber (CR), silicone rubber, fluorine rubber, Acrylic rubber, hydrogenated nitrile rubber, urethane rubber, and the like are used. Among these, urethane rubber and silicone rubber are preferable, and urethane rubber is more preferable.
両電極層１２Ａ、１２Ｂは、導電材料を含有する導電組成物からなる。両電極層１２Ａ、１２Ｂは、互いに同一組成の導電性組成物から構成されていてもよいし、互いに異なる組成の導電性組成物から構成されていてもよい。
表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとは、同一の平面視形状を有しており、誘電層１１を挟んで表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとは全体が対向している。センサシート２は、表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとの対向した部分が容量素子として機能する。
なお、表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとは、必ずしも誘電層を挟んでその全体が対向している必要はなく、少なくともその一部が対向していればよい。
Both electrode layers 12A and 12B are made of a conductive composition containing a conductive material. Both electrode layers 12A and 12B may be composed of conductive compositions having the same composition, or may be composed of conductive compositions having different compositions.
The front-side electrode layer 12A and the back-side electrode layer 12B have the same plan view shape, and the front-side electrode layer 12A and the back-side electrode layer 12B face each other across the dielectric layer 11. In the sensor sheet 2, a portion where the front electrode layer 12A and the back electrode layer 12B face each other functions as a capacitive element.
Note that the front electrode layer 12A and the back electrode layer 12B do not necessarily have to face each other across the dielectric layer, and at least part of them may be opposed to each other.
上記導電材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンナノホーン、カーボンファイバー、導電性カーボンブラック、グラファイト、金属ナノワイヤー、金属ナノ粒子、導電性高分子等を単独で用いても良いし、２種以上併用してもよい。上記導電材料としては、カーボンナノチューブが好ましい。導電性及び伸縮性に優れた電極層を形成するのに適しているからである。
上記導電性組成物は、カーボンナノチューブ等の導電材料以外に、例えば、バインダー成分を含有していてもよい。
上記バインダー成分はつなぎ材料として機能し、上記バインダー成分を含有させることにより、誘電層との密着性、及び、電極層自体の強度を向上させることができる。
As the conductive material, for example, carbon nanotube, graphene, carbon nanohorn, carbon fiber, conductive carbon black, graphite, metal nanowire, metal nanoparticle, conductive polymer, etc. may be used alone, or two kinds You may use together. As the conductive material, carbon nanotubes are preferable. This is because it is suitable for forming an electrode layer excellent in conductivity and stretchability.
The conductive composition may contain, for example, a binder component in addition to the conductive material such as carbon nanotubes.
The binder component functions as a binder material, and by including the binder component, the adhesion to the dielectric layer and the strength of the electrode layer itself can be improved.
なお、両電極層１２Ａ、１２Ｂと、両接続端子１４Ａ、１４Ｂとを接続している両配線１３Ａ、１３Ｂも、両電極層１２Ａ、１２Ｂと同様の導電性組成物から構成されている。 Both wirings 13A and 13B that connect both electrode layers 12A and 12B and both connection terminals 14A and 14B are also made of the same conductive composition as both electrode layers 12A and 12B.
表側配線１３Ａを介して表側電極層１２Ａに接続されている表側接続端子１４Ａは、例えば、銅板等を用いて形成された板状の部材であり、外部に露出して設けられ、静電容量検出装置３から延びる接続線が接続される。
また、裏側配線１３Ｂを介して裏側電極層１２Ｂに接続されている裏側接続端子１４Ｂも、銅板等を用いて形成された板状の部材であり、外部に露出して設けられ、静電容量検出装置３から延びる接続線が接続される。
センサシート２は、表側接続端子１４Ａによって静電容量検出装置３から与えられるキャリア電圧を受け付け、裏側接続端子１４Ｂからキャリア電圧に応じたセンサ出力信号を出力する。
The front-side connection terminal 14A connected to the front-side electrode layer 12A via the front-side wiring 13A is, for example, a plate-like member formed using a copper plate or the like, and is exposed to the outside to detect capacitance. A connection line extending from the device 3 is connected.
The back side connection terminal 14B connected to the back side electrode layer 12B via the back side wiring 13B is also a plate-like member formed using a copper plate or the like, and is exposed to the outside to detect capacitance. A connection line extending from the device 3 is connected.
The sensor sheet 2 receives the carrier voltage given from the capacitance detection device 3 by the front side connection terminal 14A, and outputs a sensor output signal corresponding to the carrier voltage from the back side connection terminal 14B.
両保護層１５Ａ、１５Ｂは、電極層１２Ａ、１２Ｂ等を電気的に絶縁し外部環境から保護するために設けられている。また、両保護層１５Ａ、１５Ｂは、センサシート２全体としての強度や耐久性を高める補強部材としての機能も有している。
この保護層１５Ａ、１５Ｂの材質は特に限定されず、その要求特性に応じて適宜選択することができる。保護層１５Ａ、１５Ｂの材質の具体例としては、例えば、誘電層１１の材質と同様のエラストマー組成物等が挙げられる。
Both the protective layers 15A and 15B are provided to electrically insulate the electrode layers 12A and 12B and the like and protect them from the external environment. Moreover, both the protective layers 15A and 15B also have a function as a reinforcing member that increases the strength and durability of the sensor sheet 2 as a whole.
The material of the protective layers 15A and 15B is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the required characteristics. Specific examples of the material of the protective layers 15A and 15B include an elastomer composition similar to the material of the dielectric layer 11, for example.
粘着層１８は、センサシート２を測定対象物に貼り付けるために設けられた層であり、測定対象物の可動部分表面に貼り付けられたときに、可動部分の動作に応じて変形可能な程度に貼り付くことができる程度の粘着力を有している。 The adhesive layer 18 is a layer provided for attaching the sensor sheet 2 to the measurement object, and is capable of being deformed according to the operation of the movable part when attached to the surface of the movable part of the measurement object. Adhesive strength to such an extent that it can be adhered to.
センサシート２は、誘電層１１がエラストマー製のため、上述のように、面方向に変形（伸縮）可能である。誘電層１１が面方向に変形した際には、その変形に追従して表側電極層１２Ａ及び裏側電極層１２Ｂ、並びに、表側保護層１５Ａ及び裏側保護層１５Ｂが変形する。
そして、センサシート２の変形に伴い、上記検出部の静電容量が誘電層１１の変形量と相関をもって変化する。よって、静電容量の変化を検出することで、センサシート２の変形状態を把握することができる。
Since the dielectric layer 11 is made of an elastomer, the sensor sheet 2 can be deformed (stretched) in the plane direction as described above. When the dielectric layer 11 is deformed in the plane direction, the front side electrode layer 12A and the back side electrode layer 12B, and the front side protective layer 15A and the back side protective layer 15B are deformed following the deformation.
As the sensor sheet 2 is deformed, the capacitance of the detection unit changes in correlation with the deformation amount of the dielectric layer 11. Therefore, the deformation state of the sensor sheet 2 can be grasped by detecting the change in capacitance.
〔静電容量検出装置の構成について〕
図３は、静電容量検出装置３の構成の一例を示す回路図である。なお、図３では、一のセンサシート２、及び検出部６に着目して表している。
上述したように、静電容量検出装置３は、正弦波発振回路５と、検出部６とを備えている。
[Configuration of capacitance detection device]
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the capacitance detection device 3. In FIG. 3, the sensor sheet 2 and the detection unit 6 are shown paying attention.
As described above, the capacitance detection device 3 includes the sine wave oscillation circuit 5 and the detection unit 6.
正弦波発振回路５は、正弦波形の入力電圧を生成し、センサシート２に入力電圧を印加する。
図４は、正弦波発振回路５が生成する入力電圧の波形を示す図である。
図４に示すように、例えば、静電容量検出装置３の電源電圧をＶ１としたとき、正弦波発振回路５が生成する入力電圧の波形は、振幅電圧がＶ１／２とされ、中心電位がＶ１／２とされた正弦波形とされている。
つまり、正弦波発振回路５には、正弦波に対するバイアス電圧として、Ｖ１／２が与えられている。
The sine wave oscillation circuit 5 generates an input voltage having a sine waveform and applies the input voltage to the sensor sheet 2.
FIG. 4 is a diagram showing the waveform of the input voltage generated by the sine wave oscillation circuit 5.
As shown in FIG. 4, for example, when the power supply voltage of the capacitance detection device 3 is V 1 , the waveform of the input voltage generated by the sine wave oscillation circuit 5 has an amplitude voltage of V 1/2 , The electric potential is a sine waveform with V 1/2 .
That is, the sine wave oscillation circuit 5 is given V 1/2 as a bias voltage for the sine wave.
なお、本実施形態では、入力電圧の周波数は５ｋＨｚに設定されている。
また、静電容量検出装置３の検出対象の信号成分であって、センサシート２が出力するセンサ出力に含まれる信号成分は、人体の関節部分等の動きに起因する静電容量の変化であり、入力電圧の周波数と比較して十分に低い周波数、例えば、数１０Ｈｚ以下の信号成分である。
入力電圧の周波数は、静電容量検出装置３が信号を検出する際の分解能に影響を与える。よって、入力電圧の周波数は、検出対象となる信号の周波数よりも十分に大きくなるように設定される。本実施形態では、入力電圧の周波数は、検出対象の信号成分に対して数１００倍の周波数となるように設定される。
In the present embodiment, the frequency of the input voltage is set to 5 kHz.
In addition, the signal component to be detected by the capacitance detection device 3 and included in the sensor output output from the sensor sheet 2 is a change in capacitance caused by the movement of a joint portion or the like of the human body. The signal component has a frequency sufficiently lower than the frequency of the input voltage, for example, several tens of Hz or less.
The frequency of the input voltage affects the resolution when the capacitance detection device 3 detects a signal. Therefore, the frequency of the input voltage is set to be sufficiently higher than the frequency of the signal to be detected. In this embodiment, the frequency of the input voltage is set to be several hundred times as high as the signal component to be detected.
正弦波発振回路５は、センサシート２の表側接続端子１４Ａに接続されており、表側接続端子１４Ａを介してセンサシート２に入力電圧を印加する。 The sine wave oscillation circuit 5 is connected to the front side connection terminal 14A of the sensor sheet 2, and applies an input voltage to the sensor sheet 2 via the front side connection terminal 14A.
図３に戻って、センサシート２の裏側接続端子１４Ｂには、検出部６が接続されている。
センサシート２は、正弦波発振回路５からの入力電圧の印加に応じて出力するセンサ出力を検出部６に与える。
Returning to FIG. 3, the detection unit 6 is connected to the back side connection terminal 14 </ b> B of the sensor sheet 2.
The sensor sheet 2 gives a sensor output that is output in response to the application of the input voltage from the sine wave oscillation circuit 5 to the detection unit 6.
センサシート２は、センサ出力を電流信号として検出部６に与える。
この電流信号は、入力電圧の変化に応じてセンサシート２が出力する電流値を示しており、この電流値の最大値を取得することで、そのときのセンサシート２の静電容量を求めることができる。
センサシート２が出力する電流信号としてのセンサ出力は、そのときの静電容量に応じた電流値が最大振幅となるように、入力電圧の昇降に応じて電流値０を中心に正負に振幅する波形として表れる。
The sensor sheet 2 gives the sensor output to the detection unit 6 as a current signal.
This current signal indicates the current value output from the sensor sheet 2 in response to a change in the input voltage, and by obtaining the maximum value of this current value, the capacitance of the sensor sheet 2 at that time is obtained. Can do.
The sensor output as the current signal output by the sensor sheet 2 is positively or negatively amplitude centered on the current value 0 according to the increase or decrease of the input voltage so that the current value corresponding to the capacitance at that time has the maximum amplitude. Appears as a waveform.
図３に示すように、検出部６は、変換部２０と、第１ローパスフィルタ部２１と、増幅部２２とを備えている。 As shown in FIG. 3, the detection unit 6 includes a conversion unit 20, a first low-pass filter unit 21, and an amplification unit 22.
変換部２０は、入力電圧の印加に応じてセンサシート２から出力される電流信号であるセンサ出力を電圧信号に変換する機能を有している。
変換部２０は、整流部２０ａと、平滑コンデンサ２０ｂと、シャント抵抗２０ｃとを備えている。
整流部２０ａは、センサシート２に対して並列に接続されている第１ダイオード２０ａ１と、センサシート２に対して直列に接続されている第２ダイオード２０ａ２とを備えており、半波倍電圧整流回路を構成している。これにより、簡易な構成で変換部２０を構成することができる。整流部２０ａは、センサシート２から与えられるセンサ出力を整流する。
The conversion unit 20 has a function of converting a sensor output that is a current signal output from the sensor sheet 2 into a voltage signal in response to application of an input voltage.
The conversion unit 20 includes a rectification unit 20a, a smoothing capacitor 20b, and a shunt resistor 20c.
The rectifying unit 20a includes a first diode 20a1 connected in parallel to the sensor sheet 2 and a second diode 20a2 connected in series to the sensor sheet 2, and is a half-wave voltage doubler rectifier. The circuit is configured. Thereby, the conversion unit 20 can be configured with a simple configuration. The rectifying unit 20 a rectifies the sensor output given from the sensor sheet 2.
平滑コンデンサ２０ｂは、整流部２０ａの出力端に対して並列に接続されており、整流部２０ａにより整流されたセンサ出力を平滑化する。つまり、平滑コンデンサ２０ｂは、整流されたセンサ出力に含まれる比較的高い周波数である入力電圧の周波数成分を除去する。
センサ出力の最大振幅は、センサシート２の静電容量に応じた電流値を示している。よって、変換部２０は、整流されたセンサ出力を平滑コンデンサ２０ｂによって平滑化することで、センサシート２の静電容量に応じた電流値を示す値を時間軸方向に沿って取得することができる。
The smoothing capacitor 20b is connected in parallel to the output terminal of the rectifying unit 20a, and smoothes the sensor output rectified by the rectifying unit 20a. That is, the smoothing capacitor 20b removes the frequency component of the input voltage that is a relatively high frequency included in the rectified sensor output.
The maximum amplitude of the sensor output indicates a current value corresponding to the capacitance of the sensor sheet 2. Therefore, the conversion part 20 can acquire the value which shows the electric current value according to the electrostatic capacitance of the sensor sheet 2 along a time-axis direction by smoothing the rectified sensor output by the smoothing capacitor 20b. .
シャント抵抗２０ｃは、平滑コンデンサ２０ｂの両端に接続されている。よって、シャント抵抗２０ｃの両端電圧を測定すれば、平滑化されたセンサ出力が示す電流値を求めることができる。
つまり、変換部２０は、センサシート２が出力した電流信号であるセンサ出力を、センサシート２の静電容量に応じた電流値を表す電圧信号に変換することができる。
変換部２０は、電圧信号に変換したセンサ出力を、後段の第１ローパスフィルタ部２１に与える。
The shunt resistor 20c is connected to both ends of the smoothing capacitor 20b. Therefore, by measuring the voltage across the shunt resistor 20c, the current value indicated by the smoothed sensor output can be obtained.
That is, the conversion unit 20 can convert the sensor output, which is a current signal output from the sensor sheet 2, into a voltage signal that represents a current value corresponding to the capacitance of the sensor sheet 2.
The conversion unit 20 gives the sensor output converted into the voltage signal to the first low-pass filter unit 21 at the subsequent stage.
第１ローパスフィルタ部２１は、第１抵抗２１ａと、第１容量素子２１ｂと、第２抵抗２１ｃと、第２容量素子２１ｄと、第１オペアンプ２１ｅとを備えており、これらによって正帰還型ローパスフィルタを構成している。 The first low-pass filter unit 21 includes a first resistor 21a, a first capacitor element 21b, a second resistor 21c, a second capacitor element 21d, and a first operational amplifier 21e. Configure the filter.
第１ローパスフィルタ部２１は、変換部２０から与えられるセンサ出力に含まれる入力電圧の周波数成分を除去するように設定されており、センサ出力に表れるリップルノイズを低減する。 The first low-pass filter unit 21 is set so as to remove the frequency component of the input voltage included in the sensor output given from the conversion unit 20, and reduces ripple noise appearing in the sensor output.
リップルノイズは、入力電圧の周波数成分に起因している。ここで、平滑コンデンサ２０ｂも、変換部２０から与えられるセンサ出力に含まれる入力電圧の周波数成分を除去する機能を有しており、平滑コンデンサ２０ｂによってもリップルノイズを低減することができる。
例えば、平滑コンデンサ２０ｂによって、入力電圧の周波数成分を除去しリップルノイズを低減しようとすると、平滑コンデンサ２０ｂとシャント抵抗２０ｃの時定数をより大きく設定する必要がある。
しかし、平滑コンデンサ２０ｂとシャント抵抗２０ｃの時定数を大きく設定すれば、変換部２０におけるセンサシート２の静電容量の変化に対する応答性を低下させてしまう場合がある。
The ripple noise is caused by the frequency component of the input voltage. Here, the smoothing capacitor 20b also has a function of removing the frequency component of the input voltage included in the sensor output given from the conversion unit 20, and the ripple noise can be reduced also by the smoothing capacitor 20b.
For example, if the smoothing capacitor 20b is used to remove the frequency component of the input voltage and reduce the ripple noise, the time constants of the smoothing capacitor 20b and the shunt resistor 20c need to be set larger.
However, if the time constants of the smoothing capacitor 20b and the shunt resistor 20c are set large, the responsiveness to the change in the capacitance of the sensor sheet 2 in the conversion unit 20 may be reduced.
この点、本実施形態では、平滑コンデンサ２０ｂの後段にさらに入力電圧の周波数成分を除去するための第１ローパスフィルタ部２１を設けたので、平滑コンデンサ２０ｂによって入力電圧の周波数成分を十分に除去できなかったとしても、第１ローパスフィルタ部２１によってリップルノイズを効果的に低減することができる。
このため、平滑コンデンサ２０ｂとシャント抵抗２０ｃの時定数を、第１ローパスフィルタ部２１を設けず平滑コンデンサ２０ｂによってリップルノイズを低減する場合よりも小さい値に設定することができる。この結果、変換部２０におけるセンサシート２の静電容量の変化に対する応答性（センサ出力を電流信号から電圧信号に変換する際の応答性）を低下させるのを抑制しつつ、入力電圧の周波数成分を除去し、リップルノイズを低減することができる。
In this regard, in the present embodiment, since the first low-pass filter unit 21 for removing the frequency component of the input voltage is further provided after the smoothing capacitor 20b, the frequency component of the input voltage can be sufficiently removed by the smoothing capacitor 20b. Even if not, ripple noise can be effectively reduced by the first low-pass filter unit 21.
For this reason, the time constant of the smoothing capacitor 20b and the shunt resistor 20c can be set to a value smaller than the case where the first low-pass filter unit 21 is not provided and the ripple noise is reduced by the smoothing capacitor 20b. As a result, the frequency component of the input voltage is suppressed while suppressing the responsiveness (responsiveness when converting the sensor output from the current signal to the voltage signal) with respect to the change in the capacitance of the sensor sheet 2 in the conversion unit 20. And ripple noise can be reduced.
第１ローパスフィルタ部２１は、入力電圧の周波数成分を除去した後のセンサ出力を、後段の増幅部２２に与える。
増幅部２２は、第２オペアンプ２２ａと、第３抵抗素子２２ｂと、第４抵抗素子２２ｃとを備えている。増幅部２２は、与えられたセンサ出力を増幅し、電圧信号であるセンサ出力Ｖ０を後段の情報処理装置４に与える。
The first low-pass filter unit 21 gives the sensor output after removing the frequency component of the input voltage to the subsequent amplification unit 22.
The amplifying unit 22 includes a second operational amplifier 22a, a third resistance element 22b, and a fourth resistance element 22c. The amplifying unit 22 amplifies the given sensor output and gives the sensor output V 0 that is a voltage signal to the information processing apparatus 4 at the subsequent stage.
また、増幅部２２の後段には、容量素子２３が接続されている、この容量素子２３の一端は、第２オペアンプ２２ａの出力端に接続されている。容量素子２３の他端は、第３抵抗素子２２ｂと、第４抵抗素子２２ｃとの間、すなわち第２オペアンプ２２ａの反転入力端に接続されている。
容量素子２３は、増幅部２２と組み合わされることでローパスフィルタとして機能し、増幅されたセンサ出力Ｖ０からさらに入力電圧の周波数成分を除去することができる。
A capacitive element 23 is connected to the subsequent stage of the amplifying unit 22, and one end of the capacitive element 23 is connected to the output terminal of the second operational amplifier 22a. The other end of the capacitive element 23 is connected between the third resistance element 22b and the fourth resistance element 22c, that is, the inverting input terminal of the second operational amplifier 22a.
Capacitive element 23 functions as a low-pass filter be combined with the amplification part 22, it is possible to further remove the frequency component of the input voltage from the sensor output V 0 amplified.
情報処理装置４は、例えば、コンピュータ等によって構成されており、与えられたセンサ出力Ｖ０に対してデータ処理を行う。
情報処理装置４は、与えられるセンサ出力Ｖ０に基づいてセンサシート２の静電容量の値を求める。このとき、情報処理装置４は、センサ出力Ｖ０からセンサシート２の静電容量を求める際に誤差を抑圧するための補正を行うこともできる。
また、情報処理装置４は、求めた静電容量に基づいて、測定対象物の可動部分の可動状態を示す情報を生成し、検出結果に関する結果情報を生成する。
情報処理装置４は、生成した結果情報を当該情報処理装置４の操作者に向けて出力する。
The information processing apparatus 4 is configured by a computer or the like, for example, and performs data processing on a given sensor output V 0 .
The information processing apparatus 4 determines the value of the capacitance of the sensor sheet 2 based on the sensor output V 0 provided. At this time, the information processing apparatus 4 may also be corrected for suppressing the errors from the sensor output V 0 in determining the capacitance of the sensor sheet 2.
Further, the information processing device 4 generates information indicating the movable state of the movable part of the measurement object based on the obtained capacitance, and generates result information regarding the detection result.
The information processing device 4 outputs the generated result information to the operator of the information processing device 4.
本実施形態の静電容量検出装置３は、伸長変形することで静電容量が変化する静電容量型センサであるセンサシート２のセンサ出力を電圧信号として検出するものであり、センサシート２に入力電圧（印加電圧）を印加する正弦波発振回路５（電圧供給部）と、入力電圧の印加に応じてセンサシート２から出力される電流信号であるセンサ出力を電圧信号に変換する変換部２０とを備えている。正弦波発振回路５による入力電圧は、中心電位が振幅電圧と同じＶ１／２とされた正弦波形の電圧である。 The capacitance detection device 3 according to the present embodiment detects a sensor output of a sensor sheet 2 that is a capacitance type sensor whose capacitance changes due to expansion and deformation as a voltage signal. A sine wave oscillation circuit 5 (voltage supply unit) that applies an input voltage (application voltage), and a conversion unit 20 that converts a sensor output, which is a current signal output from the sensor sheet 2 in response to application of the input voltage, into a voltage signal. And. The input voltage by the sine wave oscillation circuit 5 is a sine waveform voltage in which the center potential is V 1/2, which is the same as the amplitude voltage.
上記のように構成された静電容量検出装置３によれば、正弦波発振回路５による印加電圧は、中心電位が振幅電圧とされた正弦波形の電圧であるので、少なくとも、接地電位にノイズが侵入したとしてもそのノイズが入力電圧に重畳されるのを抑制することができる。この結果、入力電圧を通じてセンサ出力にノイズが与えられるのを抑制することができ、センサ出力に含まれるノイズを低減することができる。 According to the electrostatic capacitance detection device 3 configured as described above, the voltage applied by the sine wave oscillation circuit 5 is a sine waveform voltage with the center potential being an amplitude voltage. Even if it penetrates, the noise can be prevented from being superimposed on the input voltage. As a result, it is possible to suppress noise from being applied to the sensor output through the input voltage, and noise included in the sensor output can be reduced.
〔その他〕
本発明は、上記実施形態に限定されない。
上記実施形態では、変換部２０の後段に第１ローパスフィルタ部２１及び増幅部２２を設けた場合を例示したが、第１ローパスフィルタ部２１や増幅部２２を除いた構成としてもよいし、第１ローパスフィルタ部２１や増幅部２２に相当するデバイスに置き換えて構成してもよい。また、増幅部２２として、図３に示すように負帰還の非反転増幅器を用いたが、反転増幅器を用いてもよい。
[Others]
The present invention is not limited to the above embodiment.
In the above embodiment, the case where the first low-pass filter unit 21 and the amplification unit 22 are provided in the subsequent stage of the conversion unit 20 is illustrated, but the first low-pass filter unit 21 and the amplification unit 22 may be omitted. A device corresponding to the 1 low-pass filter unit 21 or the amplification unit 22 may be replaced. Further, as the amplifying unit 22, a negative feedback non-inverting amplifier is used as shown in FIG. 3, but an inverting amplifier may be used.
また、上記実施形態では、正弦波発振回路５による入力電圧を、中心電位が振幅電圧とされた正弦波形の電圧とした場合を例示したが、例えば、図５に示すように、中心電位が振幅電圧よりも大きい値とされた正弦波形の電圧としてもよい。 In the above embodiment, the case where the input voltage by the sine wave oscillation circuit 5 is a sine waveform voltage whose center potential is an amplitude voltage is exemplified. For example, as shown in FIG. The voltage may be a sinusoidal waveform having a value larger than the voltage.
図５では、正弦波発振回路５が生成する入力電圧の波形は、電位Ｖ１と０の間の値である電位Ｖ２から、電位Ｖ１の範囲で振幅し、中心電位が振幅電圧である（Ｖ１−Ｖ２）／２よりもＶ２だけ大きい電位とされた正弦波形とされている。
つまり、正弦波発振回路５には、正弦波に対するバイアス電圧として、Ｖ２＋（Ｖ１−Ｖ２）／２が与えられている。
In FIG. 5, the waveform of the input voltage generated by the sine wave oscillation circuit 5 oscillates in the range of the potential V 1 from the potential V 2 that is a value between the potentials V 1 and 0, and the center potential is the amplitude voltage. The sine waveform is set to a potential that is larger than (V 1 −V 2 ) / 2 by V 2 .
In other words, V 2 + (V 1 −V 2 ) / 2 is given to the sine wave oscillation circuit 5 as a bias voltage for the sine wave.
この場合においても、接地電位にノイズが侵入したとしてもそのノイズが入力電圧に重畳されるのを抑制することができ、入力電圧を通じてセンサ出力にノイズが与えられるのを抑制することができる。 Even in this case, even if noise enters the ground potential, it is possible to suppress the noise from being superimposed on the input voltage, and to suppress the noise from being applied to the sensor output through the input voltage.
〔検証試験について〕
次に、静電容量検出装置３におけるノイズに対する影響、及びセンサシート２の静電容量の変化に対する応答性について検証した結果について説明する。
[About verification test]
Next, the results of verifying the influence on noise in the capacitance detection device 3 and the responsiveness to changes in the capacitance of the sensor sheet 2 will be described.
〔検証試験１〕
実施例品としては、上述の静電容量検出装置３を用いた。
比較例品としては、図６に示す静電容量検出装置５０を用いた。この静電容量検出装置５０は、入力電圧として矩形波を発生する矩形波発振回路５１を備えている点で実施例品である静電容量検出装置３と相違している。また、静電容量検出装置５０は、静電容量検出装置３が備えていた第１ローパスフィルタ部２１及び容量素子２３を備えていない点で実施例品である静電容量検出装置３と相違している。
なお両静電容量検出装置３，５０では、電源電圧Ｖ１を３．３Ｖ、入力電圧の周波数を５ｋＨｚに設定した。また、増幅部２２、平滑コンデンサ２０ｂ及びシャント抵抗２０ｃは、両静電容量検出装置３，５０それぞれにおいて、センサ出力Ｖ０がほぼ同じレベルとなるようにかつ適切な状態で出力されるように設定した。
[Verification test 1]
As an example product, the above-described capacitance detection device 3 was used.
As a comparative product, a capacitance detection device 50 shown in FIG. 6 was used. This capacitance detection device 50 is different from the capacitance detection device 3 according to the embodiment in that it includes a rectangular wave oscillation circuit 51 that generates a rectangular wave as an input voltage. Further, the capacitance detection device 50 is different from the capacitance detection device 3 which is an example product in that the capacitance detection device 50 does not include the first low-pass filter unit 21 and the capacitance element 23 provided in the capacitance detection device 3. ing.
Note that in both the electrostatic capacitance detection device 3,50, the power supply voltage V 1 3.3V, setting the frequency of the input voltage to 5 kHz. Also, the amplification unit 22, a smoothing capacitor 20b and a shunt resistor 20c is set so that in each both electrostatic capacitance detection device 3,50, the sensor output V 0 is outputted by and appropriate state to be substantially the same level did.
なお、実施例品である静電容量検出装置３及び比較例品である静電容量検出装置５０の具体的構成は下記の通りである。下記各素子の仕様（抵抗値、容量値等）は、所望の回路特性を満たすように、適宜調整することができる。
静電容量検出装置３
整流部２０ａ： Ｄｉоｄｅｓ Ｉｎｃоｒｐоｒａｔｅｄ社製 ＢＡＴ５４Ｓ−７−Ｆ
平滑コンデンサ２０ｂ ：０．１μＦ
シャント抵抗２０ｃの抵抗値 ：３３ｋΩ
第１抵抗２１ａの抵抗値 ：１５ｋΩ
第１容量素子２１ｂの容量値 ：０．０１μＦ
第２抵抗２１ｃの抵抗値 ：１５ｋΩ
第２容量素子２１ｄの容量値 ：０．０１μＦ
第１オペアンプ２１ｅ：Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製 ＬＭＶ３２４ＱＰＷＧ４
第２オペアンプ２２ａ：Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製 ＬＭＶ３２４ＱＰＷＧ４
第３抵抗素子２２ｂ ：５６．２ｋΩ
第４抵抗素子２２ｃ ：１０ｋΩ
容量素子２３ ：０．０１μＦ
In addition, the specific structure of the electrostatic capacitance detection apparatus 3 which is an example product and the electrostatic capacitance detection apparatus 50 which is a comparative example product is as follows. The specifications (resistance value, capacitance value, etc.) of each element below can be adjusted as appropriate so as to satisfy desired circuit characteristics.
Capacitance detection device 3
Rectification unit 20a: BAT54S-7-F manufactured by Diodes Incorprated
Smoothing capacitor 20b: 0.1 μF
Resistance value of the shunt resistor 20c: 33 kΩ
Resistance value of the first resistor 21a: 15 kΩ
Capacitance value of the first capacitor element 21b: 0.01 μF
Resistance value of second resistor 21c: 15 kΩ
Capacitance value of second capacitive element 21d: 0.01 μF
1st operational amplifier 21e: LMV324QPWG4 made by Texas Instruments
Second operational amplifier 22a: Texas Instruments LMV324QPWG4 manufactured by Texas Instruments
Third resistance element 22b: 56.2 kΩ
Fourth resistance element 22c: 10 kΩ
Capacitance element 23: 0.01 μF
静電容量検出装置５０
整流部２０ａ： Ｄｉоｄｅｓ Ｉｎｃоｒｐоｒａｔｅｄ社製 ＢＡＴ５４Ｓ−７−Ｆ
平滑コンデンサ２０ｂ ：１μＦ
シャント抵抗２０ｃの抵抗値 ：３３ｋΩ
第２オペアンプ２２ａ：Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製 ＬＭＶ３２４ＱＰＷＧ４
第３抵抗素子２２ｂ ：３３ｋΩ
第４抵抗素子２２ｃ ：１０ｋΩ
Capacitance detection device 50
Rectification unit 20a: BAT54S-7-F manufactured by Diodes Incorprated
Smoothing capacitor 20b: 1μF
Resistance value of the shunt resistor 20c: 33 kΩ
Second operational amplifier 22a: Texas Instruments LMV324QPWG4 manufactured by Texas Instruments
Third resistance element 22b: 33 kΩ
Fourth resistance element 22c: 10 kΩ
まず、上記実施例品に係る正弦波発振回路５、及び比較例品に係る矩形波発振回路５１について、擬似的にノイズを加えた際の入力電圧の変化について検証した。
検証方法としては、両発振回路５，５１に対して接地側から擬似ノイズとして交流（６０Ｈｚ、電位差６Ｖ）を加え、このときに両発振回路５，５１が生成する入力電圧を測定し、その変化を確認した。
First, with respect to the sine wave oscillation circuit 5 according to the above-mentioned example product and the rectangular wave oscillation circuit 51 according to the comparative example product, the change in input voltage when pseudo noise was added was verified.
As a verification method, alternating current (60 Hz, potential difference 6 V) is applied as pseudo noise from the ground side to both oscillation circuits 5, 51, the input voltage generated by both oscillation circuits 5, 51 at this time is measured, and the change It was confirmed.
図７（ａ）は、疑似ノイズを加える前の実施例品に係る正弦波発振回路５が生成する入力電圧を示すグラフ、図７（ｂ）は、疑似ノイズを加える前の比較例品に係る矩形波発振回路５１が生成する入力電圧を示すグラフである。図７（ａ）、（ｂ）において、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。また、図７（ａ）、（ｂ）において、縦軸及び横軸のスケールは互いに同一である。 FIG. 7A is a graph showing the input voltage generated by the sine wave oscillation circuit 5 according to the example product before adding the pseudo noise, and FIG. 7B shows the comparative example product before adding the pseudo noise. 3 is a graph showing an input voltage generated by a rectangular wave oscillation circuit 51. 7A and 7B, the vertical axis represents voltage and the horizontal axis represents time. 7A and 7B, the scales of the vertical axis and the horizontal axis are the same.
正弦波発振回路５が生成する入力電圧、及び矩形波発振回路５１が生成する入力電圧ともに下限値がほぼ０ボルトとなっている。
図７（ａ）では、正弦波形の電圧、図７（ｂ）では、矩形波の電圧となっている。
The lower limit of both the input voltage generated by the sine wave oscillation circuit 5 and the input voltage generated by the rectangular wave oscillation circuit 51 is approximately 0 volts.
In FIG. 7A, the voltage is a sine waveform, and in FIG. 7B, the voltage is a rectangular wave.
図８（ａ）は、疑似ノイズを加えたときの正弦波発振回路５が生成する入力電圧を示すグラフ、図８（ｂ）は、疑似ノイズを加えたときの矩形波発振回路５１が生成する入力電圧を示すグラフである。図８（ａ）、（ｂ）において、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。また、図８（ａ）、（ｂ）において、縦軸及び横軸のスケールは互いに同一である。 8A is a graph showing the input voltage generated by the sine wave oscillation circuit 5 when pseudo noise is added, and FIG. 8B is generated by the rectangular wave oscillation circuit 51 when pseudo noise is added. It is a graph which shows an input voltage. 8A and 8B, the vertical axis represents voltage and the horizontal axis represents time. In FIGS. 8A and 8B, the scales of the vertical axis and the horizontal axis are the same.
図８（ａ）と、図７（ａ）とを比較すると、実施例品である正弦波発振回路５では、疑似ノイズを加えたとしても、その波形に影響がほとんど現れない。
一方、図８（ｂ）と、図７（ｂ）とを比較すると、比較例品である矩形波発振回路５１では、疑似ノイズを加えると、その波形が疑似ノイズを加える前と比較して大きく乱れていることが判る。
Comparing FIG. 8 (a) with FIG. 7 (a), in the sine wave oscillation circuit 5 which is an example product, even if pseudo noise is added, the waveform hardly affects.
On the other hand, when FIG. 8B is compared with FIG. 7B, in the rectangular wave oscillation circuit 51 which is a comparative product, when the pseudo noise is added, the waveform is larger than before the pseudo noise is added. It turns out that it is disturbed.
このことより、比較例品に係る矩形波発振回路５１では、接地側からノイズが侵入すると、そのノイズが入力電圧に重畳される。その一方、実施例品に係る正弦波発振回路５では、接地側からノイズが侵入したとしても、そのノイズが入力電圧に重畳されるのを抑制されることが確認できる。 Accordingly, in the rectangular wave oscillation circuit 51 according to the comparative example product, when noise enters from the ground side, the noise is superimposed on the input voltage. On the other hand, in the sine wave oscillation circuit 5 according to the example product, even if noise enters from the ground side, it can be confirmed that the noise is suppressed from being superimposed on the input voltage.
以上より、実施例品に係る静電容量検出装置３によれば、接地電位にノイズが侵入したとしてもそのノイズが入力電圧に重畳されるのが抑制されるので、入力電圧を通じてセンサ出力にノイズが与えられるのを抑制することができ、センサ出力に含まれるノイズを低減することができることを確認することができた。 As described above, according to the capacitance detection device 3 according to the example product, even if noise enters the ground potential, the noise is suppressed from being superimposed on the input voltage. Can be suppressed, and it has been confirmed that noise included in the sensor output can be reduced.
次に、上記実施例品の静電容量検出装置３、及び比較例品の静電容量検出装置５０が出力するセンサ出力Ｖ０に表れるリップルノイズを比較検証した。
検証方法としては、両静電容量検出装置３，５０にセンサシート２の容量を検出させ、このときにセンサ出力Ｖ０に表れるリップルノイズを抽出し、比較した。
Next, the ripple noise appearing in the sensor output V 0 output by the capacitance detection device 3 of the above-described example product and the capacitance detection device 50 of the comparative example product was compared and verified.
As a verification method, both the electrostatic capacitance detection device 3,50 to detect the capacitance of the sensor sheet 2, extracts the ripple noise appearing in the sensor output V 0 at this time, and compared.
図９は、両静電容量検出装置３，５０のセンサ出力Ｖ０に表れるリップルノイズを示すグラフである。図９において、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。また、図９中、上段が実施例品、下段が比較例品を示している。
図９中、実施例品のリップルノイズの電位差Ｎ１が１４９ｍＶであり、比較例品のリップルノイズの電位差Ｎ２が２４５ｍＶであった。
この結果から、実施例品に係る静電容量検出装置３は、比較例品に係る静電容量検出装置５０よりもリップルノイズが低減されていることが判る。
FIG. 9 is a graph showing ripple noise appearing in the sensor output V 0 of both the capacitance detection devices 3 and 50. In FIG. 9, the vertical axis represents voltage, and the horizontal axis represents time. Further, in FIG. 9, the upper part shows an example product, and the lower part shows a comparative example product.
In FIG. 9, the potential difference N1 of the ripple noise of the example product was 149 mV, and the potential difference N2 of the ripple noise of the comparative example product was 245 mV.
From this result, it can be seen that the ripple noise is reduced in the capacitance detection device 3 according to the example product as compared with the capacitance detection device 50 according to the comparative example product.
さらに、上記実施例品の静電容量検出装置３、及び比較例品の静電容量検出装置５０によるセンサシート２の静電容量の変化に対する応答性を比較検証した。
検証方法としては、実施例品、及び比較例品それぞれについて、センサシート２の容量を予め定めた初期値から同じ増分値だけ増加させた目標値に変化させたときのセンサ出力Ｖ０を測定し、その変化を確認した。
Furthermore, the responsiveness with respect to the change of the capacitance of the sensor sheet 2 by the capacitance detection device 3 of the example product and the capacitance detection device 50 of the comparative example product was compared and verified.
As a verification method, the sensor output V 0 when the capacity of the sensor sheet 2 is changed from a predetermined initial value to a target value increased by the same increment value for each of the example product and the comparative product is measured. , Confirmed the change.
図１０（ａ）は、実施例品に係る静電容量検出装置３によるセンサ出力Ｖ０の変化を示すグラフ、図１０（ｂ）は、比較例品に係る静電容量検出装置５０によるセンサ出力Ｖ０の変化を示すグラフである。図１０（ａ）（ｂ）において、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。 FIG. 10A is a graph showing a change in the sensor output V 0 by the capacitance detection device 3 according to the example product, and FIG. 10B is a sensor output by the capacitance detection device 50 according to the comparative example product. it is a graph showing a change in V 0. 10A and 10B, the vertical axis represents voltage and the horizontal axis represents time.
図１０（ａ）において、センサ出力Ｖ０の値が初期値から立ち上がりを開始した地点Ｘ１から、目標値に到達した地点Ｘ２までの期間Ｗ１は、１０ｍｓであった。
一方、図１０（ｂ）において、センサ出力Ｖ０の値が初期値から立ち上がりを開始した地点Ｘ１から、目標値に到達した地点Ｘ２までの期間Ｗ２は、１００ｍｓであった。
なお、図１０（ａ）と、図１０（ｂ）とは、時間を示す横軸のスケールが異なっている。また、図１０（ａ）、（ｂ）において、縦軸のスケールは互いに同一である
この結果から、実施例品に係る静電容量検出装置３は、比較例品に係る静電容量検出装置５０よりも応答性が高いことが判る。
以上のように、実施例品による静電容量検出装置３によれば、比較例品による静電容量検出装置５０と比較して、リップルノイズが低減されているにも関わらず、センサシート２の静電容量の変化に対する応答性が高くなっている。
In FIG. 10A, the period W1 from the point X1 where the value of the sensor output V 0 starts rising from the initial value to the point X2 where the target value is reached is 10 ms.
On the other hand, in FIG. 10B, the period W2 from the point X1 where the value of the sensor output V 0 started rising from the initial value to the point X2 where the target value was reached was 100 ms.
Note that FIG. 10A and FIG. 10B are different in the scale of the horizontal axis indicating time. 10A and 10B, the scales of the vertical axes are the same as each other. From this result, the capacitance detection device 3 according to the example product is equivalent to the capacitance detection device 50 according to the comparative example product. It can be seen that the response is higher than that.
As described above, according to the capacitance detection device 3 according to the example product, the ripple noise is reduced as compared with the capacitance detection device 50 according to the comparative example product. Responsiveness to changes in capacitance is high.
このように、上記検証試験の結果、実施例品による静電容量検出装置３によれば、センサシート２の静電容量の変化に対する応答性を低下させるのを抑制しつつ、入力電圧の周波数成分を除去し、リップルノイズを低減できることを確認することができた。 As described above, according to the result of the verification test, according to the capacitance detection device 3 according to the example product, the frequency component of the input voltage is suppressed while suppressing the responsiveness to the change in the capacitance of the sensor sheet 2. It was confirmed that ripple noise can be reduced.
〔検証試験２〕
実施例品１として、上述の静電容量検出装置３を用い、実施例品２として、実施例品による静電容量検出装置３において容量素子２３（０．０１μＦ）が設けられていないものを用いた。これによって、容量素子２３を設けたことによる効果について検証した。
なお、実施例品１及び実施例品２における設定値等は、上記検証試験１と同様に設定した。
[Verification test 2]
As the example product 1, the above-described capacitance detection device 3 is used. As the example product 2, the capacitance detection device 3 according to the example product in which the capacitive element 23 (0.01 μF) is not provided is used. It was. Thus, the effect of providing the capacitive element 23 was verified.
In addition, the set value etc. in Example Product 1 and Example Product 2 were set in the same manner as in the above-described verification test 1.
図１１（ａ）は、実施例品１によるセンサ出力Ｖ０の変化を示すグラフ、図１１（ｂ）は、実施例品２によるセンサ出力Ｖ０の変化を示すグラフである。図１１（ａ）（ｂ）において、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。また、図１１（ａ）、（ｂ）において、縦軸及び横軸のスケールは互いに同一である。 11 (a) is a graph showing a change of the sensor output V 0 according to Example product 1, FIG. 11 (b) is a graph showing a change in the sensor output V 0 according to Example product 2. 11A and 11B, the vertical axis represents voltage and the horizontal axis represents time. In FIGS. 11A and 11B, the scales of the vertical axis and the horizontal axis are the same.
両者を比較すると、実施例品１の方が、実施例品２よりも、リップルノイズを表している波形が滑らかとなっており、その電位差も小さくなっている。
この結果より、容量素子２３を設けることで、この容量素子２３と増幅部２２とで実現されるローパスフィルタの機能により、増幅された後のセンサ出力に残存するリップルノイズをさらに低減できることが明らかとなった。
When both are compared, the waveform representing the ripple noise is smoother in the example product 1 than in the example product 2, and the potential difference is also smaller.
From this result, it is clear that the ripple noise remaining in the amplified sensor output can be further reduced by providing the capacitive element 23 by the function of the low-pass filter realized by the capacitive element 23 and the amplifying unit 22. became.
１ センサシステム ２ センサシート ３ 静電容量検出装置
４ 情報処理装置 ５ 正弦波発振回路 ６ 検出部
１１ 誘電層 １２Ａ 表側電極層 １２Ｂ 裏側電極層
１３Ａ 表側配線 １３Ｂ 裏側配線 １４Ａ 表側接続端子
１４Ｂ 裏側接続端子 １５Ａ 表側保護層 １５Ｂ 裏側保護層
１８ 粘着層 ２０ 変換部 ２０ａ 整流部
２０ａ１ 第１ダイオード ２０ａ２ 第２ダイオード ２０ｂ 平滑コンデンサ
２０ｃ シャント抵抗 ２１ 第１ローパスフィルタ部 ２１ａ 第１抵抗
２１ｂ 第１容量素子 ２１ｃ 第２抵抗 ２１ｄ 第２容量素子
２１ｅ 第１オペアンプ ２２ 増幅部 ２２ａ 第２オペアンプ
２２ｂ 第３抵抗素子 ２２ｃ 第４抵抗素子 ２３ 容量素子
５０ 静電容量検出装置 ５１ 矩形波発振回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor system 2 Sensor sheet 3 Capacitance detection apparatus 4 Information processing apparatus 5 Sine wave oscillation circuit 6 Detection part 11 Dielectric layer 12A Front side electrode layer 12B Back side electrode layer 13A Front side wiring 13B Back side wiring 14A Front side connection terminal 14B Back side connection terminal 15A Front side protective layer 15B Back side protective layer 18 Adhesive layer 20 Conversion unit 20a Rectifying unit 20a1 First diode 20a2 Second diode 20b Smoothing capacitor 20c Shunt resistor 21 First low-pass filter unit 21a First resistor 21b First capacitor 21c Second resistor 21d 2nd capacitive element 21e 1st operational amplifier 22 Amplification part 22a 2nd operational amplifier 22b 3rd resistive element 22c 4th resistive element 23 Capacitance element 50 Capacitance detection apparatus 51 Rectangular wave oscillation circuit
Claims (6)
前記静電容量型センサに電圧を印加する電圧供給部と、
前記電圧の印加に応じて前記静電容量型センサから出力される電流信号であるセンサ出力を電圧信号に変換する変換部と、を備え、
前記電圧供給部による印加電圧は、中心電位が振幅電圧以上とされた正弦波形の電圧である静電容量検出装置。 A capacitance detection device that detects a sensor output of a capacitance type sensor whose capacitance changes due to expansion and deformation as a voltage signal,
A voltage supply unit for applying a voltage to the capacitive sensor;
A conversion unit that converts a sensor output, which is a current signal output from the capacitance-type sensor in response to the application of the voltage, into a voltage signal;
The electrostatic capacity detection device in which the voltage applied by the voltage supply unit is a sinusoidal voltage in which the center potential is greater than or equal to the amplitude voltage.
前記静電容量検出装置は、
前記静電容量型センサに電圧を印加する電圧供給部と、
前記電圧の印加に応じて前記静電容量型センサから出力される電流信号であるセンサ出力を電圧信号に変換する変換部と、を備え、
前記電圧供給部による印加電圧は、中心電位が振幅電圧以上とされた正弦波形の電圧であるセンサシステム。
A sensor system comprising: a capacitance type sensor whose capacitance changes due to expansion and deformation; and a capacitance detection device that detects a sensor output of the capacitance type sensor as a voltage signal,
The capacitance detection device is:
A voltage supply unit for applying a voltage to the capacitive sensor;
A conversion unit that converts a sensor output, which is a current signal output from the capacitance-type sensor in response to the application of the voltage, into a voltage signal;
The voltage applied by the voltage supply unit is a sensor system having a sinusoidal waveform with a center potential equal to or higher than an amplitude voltage.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015212663A JP2017083331A (en) | 2015-10-29 | 2015-10-29 | Capacitance detection device and sensor system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015212663A JP2017083331A (en) | 2015-10-29 | 2015-10-29 | Capacitance detection device and sensor system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2017083331A true JP2017083331A (en) | 2017-05-18 |
Family
ID=58710676
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015212663A Pending JP2017083331A (en) | 2015-10-29 | 2015-10-29 | Capacitance detection device and sensor system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2017083331A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113125926A (en) * | 2021-04-08 | 2021-07-16 | 中山大学 | Synchronous measurement system and method for array precision capacitor with adjustable bias voltage |
-
2015
- 2015-10-29 JP JP2015212663A patent/JP2017083331A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113125926A (en) * | 2021-04-08 | 2021-07-16 | 中山大学 | Synchronous measurement system and method for array precision capacitor with adjustable bias voltage |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102565832B1 (en) | Pressure sensing apparatus and method | |
| JP5326042B2 (en) | Capacitance type sensor device and capacitance measuring device for capacitance type sensor | |
| JP6645978B2 (en) | Capacitive sensor | |
| WO2015135318A1 (en) | Fingerprint detection circuit and fingerprint detection apparatus | |
| CN112236745A (en) | Pressure sensing apparatus and method | |
| JP2007334690A (en) | Capacitance sensor circuit | |
| US10120479B2 (en) | Capacitive pressure sensor and method for the same | |
| JP4356570B2 (en) | Capacitance type distance sensor | |
| TW200428294A (en) | Object sensing | |
| WO2017168608A1 (en) | Contactless voltage measurement device and contactless voltage measurement method | |
| CN110249529B (en) | Device and method for detecting the approach and/or contact and pressure of an object with respect to a detection surface | |
| WO2015156069A1 (en) | Bending amount measurement device | |
| JP2013135346A (en) | Capacitance coupling type electrostatic sensor | |
| JP2017083331A (en) | Capacitance detection device and sensor system | |
| US10180751B2 (en) | Sensing device for force and tactile-proximity sensing | |
| US10055044B2 (en) | Integral sensing apparatus for touch and pressure sensing and method for the same | |
| WO2018097135A1 (en) | Determination device, monitoring system, and monitoring device | |
| JP2010133775A (en) | Differential pressure sensor for measuring minute differential pressure | |
| JP6059327B1 (en) | Capacitance type switch device | |
| JP2016099207A (en) | Voltage measuring device | |
| JP6754320B2 (en) | Capacitance detector and sensor system | |
| JP5845661B2 (en) | Input device | |
| JP2020061878A (en) | Dielectric elastomer actuator device | |
| JP5768648B2 (en) | Dielectric constant sensor | |
| JP6283812B2 (en) | Load measuring device and load measuring sensor |